空泡在水下激光推进不同形状靶材中的作用研究(3)
2. 激光空泡研究进展
2.1 空化概念
19世纪后半叶，随着蒸汽机船的发展，人们发现螺旋桨转速提高到一定程度反而会使航行速度下降，1873年Reynold曾解释这种现象是因为当螺旋桨上的压力降低到真空时吸入空气所致。1897年Barnaby & Parsons在英国海军舰艇“勇敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件以后，首次提出了“空化”(Cavitation)的概念，并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合可能出现空化。之后，帕森斯于1896年建立了世界上第一个研究空化的小型水洞, 并用闪频观察器观察了空化现象。20世纪初期，在水泵和水轮机中也相继出现了空化现象。20世纪30年代，高坝的泻水建筑物上也发生了空蚀破坏。随着科学的进步，涉及空化现象的领域也愈来愈多, 例如高速螺旋桨、高速鱼雷雷体、高速潜艇、水翼、水泵、水轮机、水工泻水建筑物、原子能、宇航甚至涉及生物学和医学等领域[5]。
空化现象的实质是流体在动力学及热力学联合作用下，液体介质局部液气相变。空化在液体中形成的空洞称为空穴；球形空穴称为空泡；较大的空穴称为空腔；带有空穴的水流称为空穴流。
可以由伯努利定理得到：在液体中高速运动的物体（如螺旋桨的高速旋转），运动速度越大处所受到的压力越小，如果物体的运动速度达到一定的极限值，足以使得该处的液体气体或者是液体本身气化，则在该处就产生空腔。而当液体中有声波通过时，由于声压是交变的，其正半周使得液体的局部压力增大，而负半周使液体的局部压力减小，因此当声压振幅达到一定的极限值（空化阈值）时，在负半周就会形成空腔，这就是声空化。由于气化速率是有限的，故声空化必与作用声波频率有关。当声频率足够高，使得溶解气体还没有来的及气化时其压力已改变方向，故高频声波不易产生空化。
光空化是将一束激光聚焦于液体中某点，光能转化为热能，使液体气化或者将其中溶解的气体析出，从而出现空腔。目前光空化已经成为产生空泡的一种重要方法。
对于空化现象，国外早在20世纪初就开始了相关空泡理论研究。其后在实验上相继采用火花泡、氢气泡、声空泡及激光泡等对空化现象做了大量研究，研究内容包括声致发光、空泡振荡、射流、冲击波、化学反应以及空泡－空泡、空泡－固壁面、空泡－自由面间的相互作用。相比较而言，我国在这方面的研究起步较晚。
2.2 空泡脉动
2.2.1 理想球形气泡
空化机理与空泡动力学运动是分不开的。空泡动力学主要研究空泡或气泡的运动行为，包括空泡的成长、发展、脉动及溃灭过程等。由于空泡运动是一个非常复杂的物理过程，其运动时间短，变化剧烈。在其运动过程中，包含了压缩性、粘性、表面张力、热传导、气体扩散和热力学效应等多相耦合过程，因此具有很强的非线性和非定常性等特性。
对于空泡动力学的研究，Besant (1859)在无穷域静止、不可压缩流体中，当空腔内部为真空的情况下，研究了球形单空泡运动所引起的周围流体的压力分布及空泡溃灭周期的问题。Rayleigh[6] (1917)采用能量平衡原理，对无穷域、均质、无粘性、不可压缩流体中单空泡的溃灭进行了求解，得到了著名的空泡径向运动方程，从而奠定了空泡动力学的发展基础。
(1)
式中， 为泡内压力， 为未受扰动的环境液体压力， 为液体密度。
对静止状态的孤立单空泡进行分析，研究其平衡条件。由于空泡中除水蒸气外，还含有从周围水体扩散到泡内的原溶于水的某些气体，因此，空泡的静力平衡条件为：